江苏南部一次暖区降水诱发的大雾过程分析

孙 明，王博妮，2，艾文文，夏敏洁

（1.江苏省气象服务中心，江苏 南京 210008；2.中国气象局交通气象重点开放实验室，江苏 南京 210008；3.江苏省南京市气象局，江苏 南京 210008）

引 言

雾是大气边界层常见的天气现象之一，是近地层饱和空气中水汽在气溶胶粒子上凝结 （或凝华）为水滴或冰晶时使水平能见度小于1 km的天气现象，其对能见度有直接影响，给交通运输、民众身体健康、工农业生产等带来严重危害［1］。在过去的几十年，针对辐射雾、平流雾等从天气学成因、气象要素变 化［2－4］、边 界 层 条 件［3－8］、湍 流 和 辐 射 机制［9－10］以及微物理结构［11－12］等方面开展了大量研究，取得了丰硕成果，研究区域由西南山地［12］、华北平原［13－14］和近海［15－18］等区域尺度逐步延伸到高速公路［19］、机场［20－21］等特殊重要区域。然而，在实际观测中发现，在山区常有雨、雾共存现象，雾的底部与地面相接，且发生时近地面静稳，而雨则发生在距地面一定高度的云层中，大气层结不稳定，两种天气现象截然不同，但雾和雨均能引起能见度下降，雨水还会造成路面湿滑，易引发交通事故，雨、雾同时出现会增大交通事故的发生概率。研究发现，降水与暖锋生相伴时，一般在锋生作用减弱时会引起能见度下降［22－23］；弱降水过程中如果贴地层存在强逆温，有利于雾的形成和发展［24－25］，逆温最强时段对应的能见度最低［26］。根据雨、雾出现时间，雨雾共存可分为先雾后雨、先雨后雾和雨雾同步三种情况。

江苏是我国地势最低的一个省区，绝大部分地区在海拔50 m以下，河湖众多，平原、水面占比居全国首位，近年来雨雾共存现象常有发生［25］，给交通出行和运输安全带来严重影响。如2016年4月2日正值清明假期，江苏沿江及以南地区出现小到中雨、局部大雨天气，并伴有大雾、局部浓雾，沪宁高速公路常州境内玉祁段因降水引起路面湿滑和能见度下降，酿成56辆车连环相撞、31人受伤、3人死亡的重大交通事故，同时降水导致长江南京段能见度下降到1000 m以下，南京海事局紧急关闭长江大桥、二桥等上下行航道，禁止任何船只通过水域。那么，地势低平环境下雨雾共存期间主要物理量、气象要素变化特征及形成机制与山区有何不同？为此，本文以此次过程为例，探讨降水前后能见度下降过程的成因及特征，以期为江苏省此类天气的预报预警及交通事故的预防提供科学依据。

1 资 料

使用2016年4月2—3日江苏省72个地面气象观测站的能见度和降雨量观测资料，沪宁高速公路和长江航道62个自动气象站风速、气温、相对湿度和能见度等逐分钟观测资料以及NCEP／NCAR 1°×1°再分析数据，南京和常州站风廓线雷达数据，气象站点和交通站点分布见图1。

图1 气象站点和交通站点空间分布Fig.1 Spatial distribution of meteorological observation stations and traffic stations

2 实况概述

2016年4月2 —3日，江苏沿江及苏南地区出现小到中雨、局部大雨天气，在降雨过程中伴有大雾、局部浓雾发生。2日08：00（北京时，下同），降水率先在沿江西部的南京、仪征、句容等地开始，09：00左右能见度开始下降，随后雨区自西向东移动覆盖了沿江地区，雾也开始弥漫。其中，沿江地区大部分站点最大小时雨量出现在2日12：00—13：00，此时仅无锡站能见度达到最低220 m，表明无锡站能见度下降主要由降水引起，其他地区最低能见度出现在2日傍晚或夜间，句容站最低能见度出现在22：00左右，能见度仅106 m，对应的小时雨量仅0.7 mm，而南通、苏州等地受雨区移动影响较晚，最低能见度出现在23：00左右。可见，白天能见度下降主要由降水引起，而夜间能见度短暂下降与冷空气入侵后水汽凝结形成的冷却雾有关，多数站点最大雨强时段与能见度最低时段不吻合。

3 天气形势

3.1 高空和地面形势

2016年4月1 日20：00，500 hPa我国江苏地区受弱高压脊控制，850 hPa江苏处在南支槽前西南气流中，地面升温明显（图略）。2日08：00［图2（a）］，500 hPa欧亚中高纬地区仍为“两脊一槽”形势，在贝加尔湖东部地区有一切断冷涡，冷涡后部有冷空气东移南下，中纬度地区锋区较弱，受短波槽影响江苏出现降水天气，且在98°E附近有南支槽东移，该槽在20：00与冷涡低槽合并，影响我国华南和江南地区；850 hPa在江苏江淮北部存在一暖式切变线，而925 hPa江苏地区为4～6 m·s－1的东南风（图略）。2日 20：00［图2（b）］，850 hPa切变线南压到苏南地区，沿江地区降水减弱。

图2 2016年4月2日08：00（a）、20：00（b）500 hPa位势高度场（黑色线，单位：dagpm）和850 hPa风场（风羽，单位：m·s－1）分布（黑色粗实线为西太副高，红色实线为500 hPa槽线，蓝色实线为850 hPa切变线）Fig.2 Distribution of 500 hPa geopotential height field（black lines，Unit：dagpm）and 850 hPa wind field（wind shafts，Unit：m·s－1）at 08：00 BST（a）and 20：00 BST（b）on 2 April 2016（the black thick solid line for the western Pacific subtropical high，the red solid line for trough line on 500 hPa，and the blue solid line for shear line on 850 hPa）

4月2日08 ：00［图3（a）］，海平面气压场上蒙古西部有一冷高压，我国江苏地区受倒槽前部偏东风控制，冷锋位于山东中部、河南北部、陕西关中一带。地面实况（图略）显示，2日09：00左右雾区率先出现在江苏沿江西部地区。14：00［图3（b）］，随着冷锋南下，江苏淮北地区转为东北风，沿江和苏南地区大雾仍持续存在。3日08：00（图略），江苏地区彻底转为东北风，降水逐渐停止。可见，受切变线和短波槽影响，此次降水和雾均发生在锋前暖区内。

图3 2016年4月 2日08：00（a）、14：00（b）海平面气压场（黑实线，单位：hPa）Fig.3 The sea level pressure field（black lines，Unit：hPa）at 08：00 BST（a）and 14：00 BST（b）on 2 April 2016

3.2 地面气象要素变化

由切变线和倒槽引起的降水在江苏地区很常见，但降水过程中出现的大雾、最大小时雨量与最低能见度出现时间不匹配等问题较为罕见，下面将从气象要素变化特征来探讨分析。

图4是距离事故发生点最近的常州西站气象要素变化曲线。可以看出，4月1日常州西站日平均气压为1012 hPa，日平均气温、最高气温分别为17.2、24.6℃，夜间相对湿度开始增大，表明暖湿气流开始活跃，水汽条件充足。2日，受弱冷空气影响，气压小幅上升，气压梯度变化较小，风速有所减弱，平均为1.2 m·s－1，较小的风速可以存留住空气中的水汽。其中，2日06：00左右开始出现降水，10：00—11：00雨量最大，最大小时雨量为 4.7 mm，对应能见度平均为629 m，至18：50能见度降至最低327 m，但小时雨量仅0.2 mm，雨强与能见度对应关系较弱。受降水影响，气温略有下降，日平均气温下降1℃，而相对湿度持续增大至饱和状态。可见，降水发生前较高的气温使得降落到地面的雨水被大量蒸发，促使空气湿度持续增大，加速了能见度的下降。此外，在降雨过程中地面由东南风转为偏北风，待降水减弱后风向再次转为东南风，能见度稳定维持在400 m左右。2日22：00左右，受冷锋过境影响，风向再次转为偏北风，降水再次增强，能见度上升。3日，冷空气过境，气压升高、风速增大、气温下降，降水结束。

综上所述，降水发生前气温高有利于水汽蒸发，促使能见度下降，且成雾期间气象要素日变化较小；降水过程中地面存在偏东风或东南风转为偏北风的现象，但成雾后风向一直维持着偏东风；成雾后期，随着降水的减弱，在弱冷空气影响下水汽凝结，能见度再次下降至最低。

4 大气热、动力条件

4.1 热力条件

用低层925 hPa 24 h变温来表征此次过程中冷暖空气变化情况。从图5看出，4月2日08：00［图5（a）］，江苏地区 925 hPa 24 h变温均为正，变温在0～4℃之间，降水率先发生的西南部区域内正变温高达4℃，且长江以南地区都处在正变温区域内。正变温与暖平流相对应，高温有助于水汽蒸发，促使能见度下降。14：00为降水最强时段［图5（b）］，江苏淮河以南地区仍为正变温，低层暖气团加速雨滴的蒸发，使得能见度进一步恶化。此外，在江苏西部有冷平流东伸，冷平流影响区域与强降水区基本一致。20：00［图5（c）］，除东南部外，江苏其他地区转为负变温，表明冷空气已影响江苏大部，先前降水区域内空气湿度大，冷、暖空气汇合导致局部区域能见度下降到最低。因此，此次降水开始前的增温以及降水减弱后期的降温对能见度变化均有很好的指示意义。

图4 2016年4月1—3日江苏常州西站气象要素逐10 min变化Fig.4 The ten－minute changes of meteorological elements at Changzhou West station of Jiangsu Province from 1 to 3 April 2016

图5 2016年 4月2日08：00（a）、14：00（b）、20：00（c）925 hPa 24 h变温场（单位：℃）Fig.5 The 24－hour variable temperature on 925 hPa at 08：00 BST（a），14：00 BST（b）and 20：00 BST（c）on 2 April 2016（Unit：℃）

图6是南京站4月2日08：00和20：00的温度和相对湿度垂直廓线。可以看出，2日08：00［图6（a）］，逆温高度为65 m，逆温强度为7.7℃·（100 m）－1，弱降水导致地面温度下降，与上层暖平流形成逆温，且逆温层内相对湿度随高度迅速减小，相对湿度自逆温层顶向上快速增加到 92%；20：00［图6（b）］，降水抑制了稳定层结的发展，逆温消失，600 m以下相对湿度保持在94%左右，受水汽平流输送和夜间降温作用，南京周边地区能见度出现短暂的下降。

综上所述，降水过程中逆温层的存在使得雨滴降落到较冷气层时，通过蒸凝作用促使能见度下降，逆温层是此次降水过程中能见度下降的一个重要条件。降水结束后，逆温消失，但受夜间降温导致的水汽冷凝作用，能见度出现短暂下降。

4.2 动力条件

图7是4月2日11：00—16：00常州站风速、风向的垂直廓线。可以看出，2日11：00，风速随高度变化不明显，表明大气层结相对稳定，水汽垂直交换不明显，有利于能见度下降，与实况能见度下降时间基本吻合。从12：00开始，边界层低层风速突然增大，在13：30风速增大到7.6 m·s－1，约在340 m高度处达到极大值8.0 m·s－1。低层风速的突增，说明大气稳定度变弱，有利于湍流运动增强和空气垂直混合，致使湿层厚度增大，常州站出现最大小时雨量。16：00左右降水减弱，边界层低层的风速明显减小，风向转为东北风。由此可见，能见度下降过程中，风速整体随高度升高而减小，其中在小时雨量最大时段300 m左右风速有所增大，风向以偏东风或东南风为主，风急、雨强造成了交通事故的发生。降水过程结束时，低层风速减小，风向转为东北风。

图6 2016年4月2日 08：00（a）、20：00（b）南京站温度和相对湿度垂直廓线Fig.6 The vertical profiles of temperature and relative humidity at Nanjing station at 08：00 BST（a）and 20：00 BST（b）on 2 April 2016

图7 2016年4月2日11：00—16：00常州雷达站风廓线（a）风速，（b）风向Fig.7 The wind profiles at Changzhou radar station from 11：00 BST to 16：00 BST on 2 April 2016（a）wind speed，（b）wind direction

研究发现，不同类型的雾在近地层垂直方向上下沉和上升运动均可能存在，但垂直速度均较小［8，13］。沿南京站（118°E，32°N）的垂直速度和相对湿度的时间 －高度剖面［图8（a）］显示，2日08：00，南京上空700 hPa以下为弱下沉气流，下沉增温有利于层结稳定；在降水最强阶段（14：00），800 hPa以下转为弱上升运动，并持续到20：00，其上为弱的下沉运动，下沉运动抑制了水汽向上扩展，动力抬升条件整体较弱，致使能见度下降；3日02：00，900 hPa以下转为弱下沉运动，下沉运动有利于水汽积聚在低层，同时该高度内弱的西北风有利于水汽冷却凝结成雾，这是降水减弱后能见度短暂下降的主要原因之一。后期，随着中高层上升运动加强，降水再次增强，能见度上升。2日 14：00，850 hPa沿江和苏南地区表现为辐合，且辐合大值中心和降水中心区一致［图8（b）］。

综上分析可见，降水过程中低层垂直速度较小，能见度下降时850 hPa以下均为弱上升运动，雨势减弱后低层转为弱下沉运动，同时风向转为西北风，水汽凝结促使冷却雾形成，使得能见度出现短暂下降。

图8 2016年4月1—3日沿南京站（118°E，32°N）的垂直速度（线条，单位：Pa·s－1）、相对湿度（阴影，单位：%）、风场（风羽，单位：m·s－1）时间 －高度剖面（a）和2日14：00 850 hPa散度（b，单位：10－5 s－1）Fig.8 The time－height section of vertical velocity（lines，Unit：Pa·s－1），relative humidity（shadows，Unit：%）and wind field（wind shafts，Unit：m·s－1）along Nanjing station（118°E，32°N）from 1 to 3 April（a）and 850 hPa divergence at 14：00 BST on 2 April（b，Unit：10－5 s－1），2016

5 结 论

（1）降水开始时地面气温高、湿度大、风速小、气压低导致能见度下降，同时近地面由偏东风或东南风转为偏北风；降水减弱后，风向再次转为偏东风，夜间受降温作用，水汽凝结形成冷却雾，能见度出现短暂下降并降到最低，这是最低能见度与最大雨强出现时间不一致的主要原因。

（2）降水发生前低层较强的暖平流、正变温为降水的发生提供暖湿条件，降水过程前期低层弱冷平流和上层暖平流有助于逆温结构形成，较强的逆温是能见度下降的重要条件。

（3）降水过程中能见度下降时，风速随高度增加而减小；雨强最大时，低层风速突增，风向以偏东风或东南风为主，风急、雨强导致此次交通事故的发生。